Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун — это конструкционный материал, представляющий собой сплав железа с углеродом (содержание углерода обычно более 2,14 %), в котором углерод находится преимущественно в форме шаровидного или вермикулярного графита. От обычного серого чугуна отличается повышенными механическими свойствами, в первую очередь — прочностью и пластичностью, что достигается за счёт модифицирования расплава специальными присадками (магнием, церием, иттрием) перед заливкой. Благодаря уникальному сочетанию литейных качеств, износостойкости и способности воспринимать ударные нагрузки, высокопрочный чугун широко применяется в машиностроении, автомобилестроении, станкостроении и производстве трубопроводной арматуры.

История

Первые попытки получить чугун с графитом шаровидной формы предпринимались ещё в XIX веке, однако практическая реализация стала возможна только в середине XX века. В 1947 году британский металлург Генри Морроу (Keith Millis) из компании International Nickel Company (INCO) запатентовал способ получения чугуна с шаровидным графитом путём добавления в расплав магния. В 1949 году аналогичные разработки были независимо выполнены в СССР под руководством академика И. М. Губкина и профессора В. В. Ковалёва. Промышленное освоение началось в 1950-х годах, когда были разработаны технологии модифицирования, позволяющие стабильно получать структуру с шаровидным графитом в серийном производстве.

В 1960–1970-е годы высокопрочный чугун начал вытеснять стальное литьё в ряде ответственных деталей (коленчатые валы, шестерни, корпуса насосов), так как его себестоимость была ниже, а литейные свойства — лучше. В 1980-х годах появились разновидности с вермикулярным (червеобразным) графитом, обладающие промежуточными свойствами между серым и высокопрочным чугуном.

Классификация

Высокопрочный чугун классифицируют по нескольким признакам:

По форме графита

Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) — наиболее распространённый тип; графит имеет форму сфероидов, что обеспечивает минимальную концентрацию напряжений и высокую пластичность.
Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) — графит имеет червеобразную форму; сочетает теплопроводность серого чугуна с повышенной прочностью.

По структуре металлической основы

Ферритный — основа из феррита; обладает высокой пластичностью (относительное удлинение до 20–25 %) и умеренной прочностью (временное сопротивление 350–450 МПа).
Перлитный — основа из перлита; прочность достигает 600–900 МПа, но пластичность ниже (удлинение 2–5 %).
Ферритно-перлитный — промежуточный вариант с комбинированными свойствами.
Бейнитный (аустенитно-бейнитный) — получают изотермической закалкой; обладает сверхвысокой прочностью (до 1400 МПа) и износостойкостью.

По маркам

В России маркировка высокопрочного чугуна регламентируется ГОСТ 7293-85. Обозначение состоит из букв «ВЧ» (высокопрочный чугун) и цифр, указывающих минимальное временное сопротивление разрыву (в МПа). Например:

ВЧ 35 — ферритный класс, σв ≥ 350 МПа, δ ≥ 22 %.
ВЧ 45 — ферритно-перлитный, σв ≥ 450 МПа, δ ≥ 10 %.
ВЧ 60 — перлитный, σв ≥ 600 МПа, δ ≥ 3 %.
ВЧ 80 — перлитный, σв ≥ 800 МПа, δ ≥ 2 %.
ВЧ 100 — бейнитный, σв ≥ 1000 МПа, δ ≥ 2 %.

Получение

Технология производства высокопрочного чугуна включает несколько этапов:

Плавка шихты — в вагранках, электродуговых или индукционных печах. Исходный состав: чугунный лом, стальной лом, ферросплавы, кокс.
Модифицирование — в расплав (температура 1400–1500 °C) вводят модификаторы, содержащие магний (обычно в виде лигатуры Mg–Si–Fe), реже церий или иттрий. Магний восстанавливает оксиды серы и кислорода, а также способствует кристаллизации графита в шаровидной форме. Содержание магния в готовом чугуне составляет 0,03–0,08 %.
Сфероидизирующая обработка — может проводиться в ковше (метод «сандвич»), в автоклаве или в литейной форме (метод «инмолд»).
Заливка в формы — из песчано-глинистых смесей, оболочковых форм или по выплавляемым моделям.
Термическая обработка — для получения перлитной или бейнитной структуры применяют отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

Свойства

Механические

Временное сопротивление разрыву (σв): 350–1400 МПа в зависимости от марки и термообработки.
Относительное удлинение (δ): 1–25 %.
Твёрдость по Бринеллю (HB): 140–350.
Предел выносливости: 0,4–0,6 от σв.
Ударная вязкость: 10–60 Дж/см².

Физические

Плотность: 7,0–7,3 г/см³.
Температура плавления: 1140–1200 °C.
Коэффициент линейного расширения: (10–12)×10⁻⁶ 1/°C.
Теплопроводность: 30–50 Вт/(м·К) — ниже, чем у серого чугуна, но выше, чем у стали.

Технологические

Литейные свойства: жидкотекучесть высокая, усадка 0,8–1,2 % (меньше, чем у стали).
Обрабатываемость резанием: хорошая, особенно для ферритных марок; перлитные и бейнитные марки требуют твёрдосплавного инструмента.
Свариваемость: ограниченная; сварка возможна с предварительным подогревом и последующей термообработкой.

Применение

Высокопрочный чугун используется в тех областях, где требуется сочетание высокой прочности, износостойкости и сложной геометрии деталей, получаемых литьём.

Автомобилестроение

Коленчатые валы (в том числе для дизельных двигателей).
Шатуны, поршни, распределительные валы.
Тормозные диски и барабаны.
Картеры коробок передач и мостов.

Машиностроение

Станины прессов, станков и кузнечно-прессового оборудования.
Зубчатые колёса, шестерни, червячные колёса.
Корпуса насосов, компрессоров, гидроцилиндров.

Трубопроводная арматура

Трубы для водоснабжения и канализации (ЧШГ-трубы с шаровидным графитом).
Задвижки, вентили, клапаны, фланцы.
Корпуса задвижек для нефте- и газопроводов (рабочее давление до 4–6 МПа).

Железнодорожный транспорт

Колёса и тормозные колодки (в перлитном исполнении).
Автосцепки, рессоры, буксы.

Строительство

Опоры мостов, фундаментные плиты, анкерные плиты.
Детали дорожных ограждений и люков.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая прочность (сопоставима с углеродистой сталью).
Хорошая пластичность (ферритные марки допускают деформацию).
Отличные литейные свойства (возможность получать сложные тонкостенные отливки).
Высокая износостойкость (особенно в перлитном и бейнитном исполнении).
Демпфирующая способность (поглощение вибраций) — выше, чем у стали.
Стоимость ниже, чем у стального литья, при сопоставимых механических свойствах.

Недостатки

Меньшая теплопроводность по сравнению с серым чугуном.
Ограниченная свариваемость.
Чувствительность к концентраторам напряжений (острые углы, резкие переходы).
Сложность контроля качества при модифицировании (необходимость точного дозирования магния).

Интересные факты

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом часто называют «ковким чугуном» (англ. ductile iron), хотя в российской терминологии «ковкий чугун» — это отдельный класс, получаемый отжигом белого чугуна.
В 2010-х годах в России начато производство высокопрочных чугунных труб с шаровидным графитом для магистральных нефтепроводов, что позволило снизить затраты на антикоррозионную защиту по сравнению со стальными трубами.
Из высокопрочного чугуна изготавливают корпуса ядерных реакторов для некоторых типов АЭС (например, в реакторах ВВЭР-1000 используются чугунные корпуса насосов).

Источники

ГОСТ 7293-85 «Чугун высокопрочный с шаровидным графитом. Марки».
ГОСТ 28394-89 «Чугун высокопрочный с вермикулярным графитом. Марки».
Материаловедение: учебник для вузов / под ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.
Справочник по чугуну / под ред. А. Д. Шермана. — М.: Металлургия, 1985.
Литьё высокопрочного чугуна: технология и оборудование / В. И. Астахов, В. М. Гаврилов. — М.: Машиностроение, 2003.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →